DE4101205A1

DE4101205A1 - Gekuehltes hochleistungshalbleiterbauelement

Info

Publication number: DE4101205A1
Application number: DE4101205A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Kloucek
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1991-08-14
Also published as: JPH0521672A; GB9102141D0; GB2241112A; US5132777A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie betrifft insbesondere ein ge kühltes Hochleistungs-Halbleiterbauelement, umfassend

a) ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat;
b) auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats jeweils eine Kontaktscheibe, welche parallel zu dem Halblei tersubstrat und von diesem beabstandet angeordnet ist;
c) zwischen jeder Kontaktscheibe und dem Halb leitersubstrat eine Vielzahl von untereinander pa rallelen Kontaktfilamenten, welche auf der einen anderen Seite mit dem Halbleitersubstrat stoff schlüssig verbunden sind.

Ein solches Bauelement ist z. B. aus der Druckschrift US- A-43 33 102 bekannt.

Stand der Technik

Hochleistungs-Halbleiterbauelementen (Dioden, Thyristo ren, GTOs etc.) ab etwa 200 A Stromstärke zeichnen sich durch großflächige Si-Substrate aus, die nicht ohne wei teres stoffschlüssig (z. B. durch Lötverbindungen) kontak tiert werden können, da Silizium und die metallischen Kontaktteile sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungen auf weisen.

Für das Packaging solcher Bauelemente wird aus diesem Grunde üblicherweise das sogenannte Druckkontaktgehäuse in Scheibenform (Scheibenzelle) verwendet (siehe dazu beispielsweise die Druckschrift US-A-44 02 004). In einer solchen Scheibenzelle werden die Elektroden des Si-Sub strats durch Druckbelastung kraftschlüssig kontaktiert, wobei über diese Druckkontakte auch die Verlustwärme des Bauelements abgeführt werden muß.

Der thermische Widerstand eines Druckkontaktgehäuses ist bedingt durch die vorhandenen Trennfugen zwischen den aufeinandergepreßten Teilen. Es ist daher ein aufwendi ger Druckrahmen erforderlich, um die Bauelemente mit den Kühlkörpern in thermisch effektiver Weise zu verspannen. Darüber hinaus muß das Si-Substrat in einem aufwendigen, hermetisch dichten Keramikgehäuse untergebracht werden.

Zur Verbesserung der Wärmeableitung bei gleichzeitiger Neutralisierung der Wärmeausdehn-Effekte ist nun in der eingangs genannten Druckschrift vorgeschlagen worden, zwischen dem Halbleitersubstrat und den außenliegenden Wärmeableitscheiben verdrillte Drahtbündel anzuordnen, die sowohl mit dem Substrat als auch mit der jeweiligen Wärmeableitscheibe stoffschlüssig verbunden (verlötet) sind.

Obgleich bei dieser Anordnung ein äußerer Druck nicht mehr benötigt und der Wärmewiderstand zur Umgebung hin verringert wird, muß die Verlustwärme dennoch vollstän dig durch die Drahtbündel geleitet werden. Darüber hinaus ist nach wie vor ein hermetisch dichtes Keramik-Metall- Gehäuse erforderlich.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Hochleistungs-Halbleiterbauelement zu schaffen, dessen Kühlung weiter verbessert ist, und das sich durch ein vereinfachtes Gehäuse auszeichnet.

Die Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs ge nannten Art dadurch gelöst, daß

d) zwischen den Kontaktfilamenten Kühlkanäle vorhanden sind, durch welche Kühlkanäle ein Kühlmedium fließt;
e) der Randabschluß des Halbleitersubstrats mit einer Passivierung versehen ist; und
f) die übrigen freien Flächen des Halbleitersubstrats mit dem Kühlmedium direkt in Kontakt sind.

Beim erfindungsgemäßen Bauelement wird also eine interne Kühlung eingesetzt, bei der sowohl das Substrat selbst als auch die Kontaktfilamente und die Innenseiten der Kontaktscheiben gekühlt werden.

Dies hat einerseits den Vorteil, daß die Kühlung sehr nahe an der Wärmequelle und über eine große Fläche er folgt. Andererseits kann, weil sich das Substrat direkt im Kühlmedium befindet, ein einfaches angegossenes Kunst stoff-Isoliergehäuse verwendet werden. Darüber hinaus ist der Einsatz verschiedenster Kühlmedien möglich.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin dung bestehen die Kontaktfilamente aus Cu-Drahtstücken, die mit Kontaktscheiben aus Cu hartverlötet sind.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 im Querschnitt ein bevorzugtes Ausführungsbei spiel für ein Bauelement nach der Erfindung; und

Fig. 2 im Ausschnitt eine bevorzugte Anordnung der Kontaktfilamente für ein Bauelement gemäß Fig. 1.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Bauelement nach der Erfindung dargestellt. Zentraler Teil dieses Bauelements ist ein großflächiges, scheibenförmi ges Halbleitersubstrat 1 (aus Si), dessen Randabschluß mit einer Passivierung 2 versehen ist.

Die Kontaktierung des Halbleitersubstrats 1 erfolgt auf beiden Seiten der Scheibe stoffschlüssig durch eine seit lich nachgiebige, bürstenähnliche Struktur aus einem Ma terial mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähig keit, bevorzugt Kupfer.

Diese Kontaktbürste besteht aus einer Vielzahl einzelner, untereinander paralleler Kontaktfilamente 3a, b, die mit jeweils einer außenliegenden Kontaktscheibe 4a, b stoff schlüssig verbunden sind. Die Kontaktscheiben 4a, b sind parallel zum Halbleitersubstrat 1 und von diesem beab standet angeordnet.

Die Kontaktbürste nimmt Unterschiede in der Wärmedehnung zwischen dem Silizium des Halbleitersubstrats 1 und dem Material (vorzugsweise ebenfalls Cu) der Kontaktscheiben 4a, b durch Verbiegen der Filamente auf.

Ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, Luft, ein Öl oder ein kohlenwasserstoffhaltiges Kühlmittel (z. B. Freon) strömt in unmittelbarer Nähe zum Halbleitersubstrat 1 durch zwischen den Kontaktfilamenten 3a, b gebildeten Kühlkanälen 11a, b hindurch, was eine sehr effektive in terne Kühlung gewährleistet.

Abstand, Länge, Durchmesser und Geometrie der Kontaktfi lamente können dabei angepaßt werden an die Erforder nisse der Kühlung, aber auch die Oberflächenstruktur des Halbleitersubstrats 1. Komplexe Oberflächenstrukturen, wie sie z. B. bei GTO-Thyristoren vorliegen, können so günstig kontaktiert werden.

Die Kontaktfilamente 3a, b und die dazugehörigen Kontakt scheiben 4a; b können beispielsweise durch spanende Bear beitung aus Kupfer-Vollmaterial hergestellt werden. Gün stiger ist es allerdings, als Kontaktfilamente 3a, b Drahtstücke zu verwenden, die durch Hartlöten mit den Kontaktscheiben 4a, b stoffschlüssig verbunden werden.

Als Passivierung 2 dient vorzugsweise eine auf dem Halb leitersubstrat 1 angebrachte Glasschicht. Das Kühlmedium kann auf diese Weise direkt über das Halbleitersubstrat 1 fließen, ohne dessen Hochspannungsfestigkeit zu beein trächtigen.

Die Glasschicht wird in Form eines Glasrings thermisch bei 700 bis 900°C oder durch ein anodisches Verfahren (siehe dazu die Druckschrift US-A-33 97 278) unterhalb von 700°C aufgebracht. Dafür geeignete Gläser müssen eine thermische Ausdehnung ähnlich wie Si aufweisen, wie dies z. B. bei Pyrex-Glas der Fall ist.

Die beschriebene Glaspassivierung macht ein herkömmli ches, hermetisch dichtes Gehäuse unnötig. Das Halbleiter substrat 1 wird vielmehr beidseitig - bevorzugt durch Weichlöten oder eutektisches Au-Si-Bonden - mit den freien Enden der Kontaktfilamente 3a,b stoffschlüssig verbunden und kann dann durch Vergießen mit einem Iso liergehäuse 8 aus einem Kunststoff versehen werden. Zur Abdichtung der Kühlkreisläufe ist dabei eine Dichtung 6 vorgesehen, die z. B. in Form eines Schrumpfschlauches ausgeführt sein kann.

Das Halbleitersubstrat 1 unterteilt die zwischen beiden Kontaktscheiben 4a, b gebildete Kammer, so daß zwei Kühl kreisläufe entstehen. Für jeden Kühlkreislauf sind zwei Kühlmittelanschlüsse 9a, b bzw. 10a, b vorgesehen.

Um die Festigkeit der Verbindung zwischen den Kontakt scheiben 4a, b und dem Isoliergehäuse 8 zu erhöhen, können zusätzlich Verankerungselemente 7 eingegossen werden, die an den Kontaktscheiben 4a, b befestigt sind. Elektrische Durchführungen für die Ansteuerung des Bauelements können ebenfalls mit eingegossen werden.

Wegen ihrer geringen Feuchtigkeitsaufnahme sind Epoxid harze für das Isoliergehäuse 8 gut geeignet. Solche Epo xidharze sollten in ihrer Wärmedehnung durch elektrisch isolierende Füllstoffe (Keramikpulver) an die zu vergie ßenden Metallteile angepaßt sein.

Da es sich bei der Anordnung gemäß Fig. 1 um eine druck lose Kontaktierung handelt, können an den Außenflächen der Kontaktscheiben 4a, b direkt Stromanschlüsse 5a, b an gebracht werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, für Sonderanwendun gen auf die interne Kühlung zu verzichten und in bekann ter Weise einen Luftkühlkörper oder eine Kühldose für Flüssigkeitskühlung auf die Außenflächen der Kontakt scheiben 4a, b mechanisch aufzuklemmen. In diesem Fall entfallen die Stromanschlüsse 5a, b.

Wie bereits erwähnt, werden für die Kontaktfilamente 3a, b vorzugsweise runde Drahtstücke mit einem Durchmesser a verwendet, die (mit einem Abstand b zwischen benachbarten Filamenten) hexagonal angeordnet sind (Fig. 2).

Für die in der Realität vorliegenden geometrischen und physikalischen Verhältnisse bei einem Bauelement nach der Erfindung soll nachfolgend ein Beispiel angegeben werden:

Beispiel

Bei einem Hochleistungs-GTO vom Typ CSG 2000 mit einem maximalen Dauerstrom von 700 A im Durchlaß wird das Halbleitersubstrat auf einem Durchmesser von 60 mm mit zwei Kontaktbürsten aus Cu stoffschlüssig kontaktiert. Jede Kontaktbürste hat 1450 zylindrische Kontaktfilamente mit einem Durchmesser a = 1,0 mm und einer Länge von 10 mm, die hexagonal angeordnet sind. Der kleinste Abstand der Filamente Mitte zu Mitte ist b = 1,5 mm.

In die Kontaktbürsten werden weiterhin Führungsbleche im Abstand von 17 mm derart eingesetzt, daß ein Strömungs kanal für das Kühlmedium mit einem Querschnitt von etwa 55 mm² entsteht. Ein solches Blech kann z. B. in Spiral form günstig eingelegt werden. Der Zufluß ist in diesem Fall peripher und der Abfluß zentrisch am Gehäuse anzu ordnen. Es gibt zwei gute Gründe für die Verwendung sol cher Führungsbleche: Das Kühlmedium beströmt zum einen gleichmäßig die gesamte kühlende innere Oberfläche, zum anderen wird die Kühlwirkung durch die erreichte höhere Strömungsgeschwindigkeit verbessert.

Mit einer solchen Anordnung kann bei einer Verlustlei stung im Bauelement von 2100 W, einer maximalen Sperr schichttemperatur von 125°C und einer zulässigen Tempe raturerhöhung des Kühlmediums von 10 K für verschiedene Kühlmedien noch folgende Eintrittstemperatur Ti_n tole riert werden:

Medium
T_in
Wasser:\|110°C
Leichtöl:	98,0°C
Fluorkohlenstoff:	103,8°C
Luft:	75°C

Demgegenüber steht bei einem konventionellen Aufbau mit Druckkontakt und außen angebrachten Kühldosen eine tole rierbare Eintrittstemperatur von Ti_n = 58,9°C.

Claims

1. Gekühltes Hochleistungs-Halbleiterbauelement, umfas send

a) ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat (1);
b) auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats (1) je weils eine Kontaktscheibe (4a, b), welche parallel zu dem Halbleitersubstrat (1) und von diesem beabstan det angeordnet ist;
c) zwischen jeder Kontaktscheibe (4a, b) und dem Halb leitersubstrat (1) eine Vielzahl von untereinander parallelen Kontaktfilamenten (3a, b), welche auf der einen Seite mit der zugehörigen Kontaktscheibe (4a, b) und auf der anderen Seite mit dem Halbleiter substrat (1) stoffschlüssig verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) zwischen den Kontaktfilamenten (3a, b) Kühlkanäle (11a, b) vorhanden sind, durch welche Kühlkanäle (11a, b) ein Kühlmedium fließt;
e) der Randabschluß des Halbleitersubstrats (1) mit einer Passivierung (2) versehen ist; und
f) die übrigen freien Flächen des Halbleitersubstrats (1) mit dem Kühlmedium direkt in Kontakt sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktscheiben (4a, b) und die Kontaktfilamente (11a, b) jeweils aus Cu bestehen.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfilamente (11a, b) mit dem Halbleitersub strat (1) durch Weichlöten oder eutektisches Bonden unter Verwendung von Au verbunden sind.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfilamente (3a, b) aus Drahtstücken beste hen, welche mit den Kontaktscheiben (4a, b) durch eine Hartlötung stoffschlüssig verbunden sind.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kontaktfilamenten (3a, b) zusätzlich Führungsbleche zur Führung des Kühlmediums angeordnet sind.

6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Wasser, Luft, ein Öl oder ein koh lenwasserstoffhaltiges Kühlmittel verwendet wird.

7. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierung (2) aus einer Glasschicht besteht.

8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Halbleitersubstrat (1), Kontaktfi lamenten (3a, b) und Kontaktscheiben (4a, b) in ein ring förmiges Isoliergehäuse (8) aus Kunststoff eingegossen ist.